Radioaktivitás alapismeretek Tartalom Az atommag szerkezete, modellek Radioaktivitás (α, β, γ, K befogás, hasadás, fúzió) A sugárzások kölcsönhatása anyaggal, dózis fogalmak A sugárzások biológiai hatásának mechanizmusa Orvosi és ipari balesetek Katonai célú létesítmény- és fegyver balesetek Ermvi balesetek
Az atommag alkotórészei, szerkezete Proton Neutron Tömeg 1,6736 10-24 g 1,6747 10-24 g Töltés +1,6 10-19 C 0 Stabilitás igen nem np+e - +ν a
Az atommagok táblázata
A magtáblázáttal kapcsolatos fogalmak Izotóp: azonos protonszám (rendszám) Izotón: azonos neutronszám Izobár: azonos tömegszám
Az atommagok csoportosítása Stabil magok Elsdleges természetes radionuklidok Kezdettl léteznek; nagyon hosszú felezési id. Pl. 238 U, T ½ =4,47 10 9 év, 40 K, T ½ =1,28 10 9 év, 87 Rb, T ½ =4,8 10 10 év (Σ 26) Másodlagos természetes radionuklidok (Σ 38) Indukált természetes radionuklidok Pl. 3 H, T ½ =12,3 év, 234 Th, T ½ =24,1 nap (Σ 10) Mesterséges radionuklidok
Bomlási sorozatok vagy családok Tórium család (4n): 232 Th Neptunium család (4n+1): 237 Np (Mesterséges elemek családja) Urán család (4n+2): 238 U Actinium család (4n+3): 235 Ac
Kötési energia: Kötési energia E(Z,N)=(M p P+M n N-M(Z,N)) c 2 Szeparációs energia: E b =(M b +M r -M(Z,N)) c 2 Empírikus kötési energia formula: E(Z,N)=-U v A+Z (Z-1) A -1/3 +U f A 2/3 +U t (N-Z) 2 /(4 A)+U p U v =14.0 MeV U c =0.61 MeV U f =15.0 MeV U t =84.2 MeV U p =34 MeV ps-ps vagy ptl-ptl magra, 0 ps-ptl ptl-ps magra
Egy nukleonra jutó kötési energia
Az atommag héjmodellje
Az alfa és a béta bomlás A Z M 4 4 A 2 + 2 + ( γ Z N He ) E α = ( A A 4 4 M M He) 931, MeV Z Z 2 2 5 *Nivóséma α energia=3-9 MeV/bomlás n p p + β +ν + n + β +ν p + β n +ν A Z A Z A Z M M M β energia=0,2-0,4 E max A N Z + 1 + β + ν + ( γ A + Z 1N + β + ν + ( γ ) A Z 1N + ν + X + ( γ ) )
Gamma sugárzás és spontán hasadás A Z M * A Z M + γ ν γ energia = 2 kev-=mev = E E h Bels konverzió: energia átadás atomi elektronnak. E e =E m -E k 98 152 Cf Sr+ Nd 2n 252 98 38 60 +
A sugárzások kölcsönhatása anyaggal Ionizáció Kinetikai energia átadása Atomi vagy molekuláris gerjesztés Magreakciók Radiatív (kisugárzó) folyamatok: nagy sebesség részecskék energiája EM sugárzássá konvertálódik (fékezési röntgen vagy Cserenkov sugárzás)
Az alfa sugárzás kölcsönhatása anyaggal (3-8 MeV) Az α részecskék a gázmolekulákat jó hatásfokkal ionizálják. A kilökött elektronok gyakran további (szekunder) ionizációt idéznek el Az energia másik része gerjesztést okoz. Hatótávolság Rutherford szórás, magreakciók: Pl. 9 Be(α,n) 12 C, vagy 11 B(α,n) 14 N
A β sugárzás kölcsönhatása anyaggal (0,01-10 MeV) Az elsdleges folyamat itt is ionizáció vagy gerjesztés Abszorpció: I=I 0 e -µ x ; µ=µ /ρ Felezési rétegvastagság: x 1/2 =ln2/µ ; d 1/2 =ln2/µ Maximális hatótávolság: 13 x 1/2 Fékezési röntgen sugárzás Cserenkov sugárzás
Α γ sugárzás kölcsönhatása anyaggal Fotóeffektus. Legvalószínbb 0,2 MeV alatt. Következmények: szekunder ionizáció, karakterisztikus röntgen sugárzás
Α γ sugárzás kölcsönhatása anyaggal Compton szórás. 0,6-2 MeV közt.
Α γ sugárzás kölcsönhatása anyaggal Párkeltés. 1.02 MeV felett.
A neutron sugárzás kölcsönhatása anyaggal Csak az atomaggal lép kölcsönhatásba Az alapvet kölcsönhatási formák Rugalmas ütközés (szórás) Rugalmatlan ütközés (szórás) Magreakciók létrehozása
A sugárzások által kiváltott magreakciók Jelölés: a+mn+b; vagy M(a,b)N A reakció energiája: E=(M M +M a -M N -M b ) 931,5 MeV Megmaradási tételek magreakciókban Klasszikus megmaradási tételek Impulzus Impulzusmomentum Energia Elektromos töltés Izotópspin Paritás
A magreakciók speciális esetei Neutron indukálta hasadás Magfúziók: D+H 3 He+γ+5,49 Me D+D 3 He+n+3,27 MeV D+T 4 He+n+17,57 MeV
A sugárzások hatása él szervezetre A sugárzás atomokat és molekulákat ionizál vagy gerjeszt Direkt hatás: az energia elnyelése és a kiváltott folyamat ugyanazon a molekulán következik be Indirekt hatás: az energia abszorpció és a kiváltott hatás különböz molekulákon következik be
A sugárzás hatásának idbeli lefolyása Idtartam Esemény Fizikai fázis 10-15 s Gerj. atomok, H 2 O +, H 2 O, e - keletkezése Biol. fázis 10-15 -10-11 s 10-11 -10-6 s 10-3 s s/min órák napok Hetek Hónapok Évek További szabad gyökök keletkezése Diffúzió révén kölcsönhatás a biol. aktív mol-al Befejezdnek és fixálódnak a mol. változások Biomolekulafizikai, anyagcsere változások Sejtosztódás károsodás Idegrendszeri, és gyomor- bélelváltozások, Vérképz rendszer károsodás Tüdfibrózis Daganatok, genetikai károsodás
Inaktiváció Az inaktiváció mindig valamilyen funkcióra vonatkozik DNS szintézis gátlás Enzimszintézis gátlás, Sejtosztódás gátlás Egytalálatos inaktiváció: N=N 0 e -σ D vagy lnn/n 0 =-σ D Többtalálatos inaktiváció: N=N 0 (1-(1-e -σ D ) p ) vagy lnn/n 0
A DNS sérülései
A DNS sérülései A sérült szakasz javítása az ép szál kódja alapján A javító mechanizmus létezésének következménye: kis dózisoknál a reaktiváció az inaktivácót túlkompenzálja
A sugárhatást befolyásoló tényezk A sugárzás milyensége Oxigén Vegyi anyagok: protektívek vagy szenzitizálók Biológiai tényezk Hmérséklet
Szövetek és szervek sugárérzékenysége csökken sorrendben Nyirokszövetek Fehérvérsejtek, éretlen vörösvérsejtek Gyomor-bél nyálkahártya Ivarsejtek Br Erek Mirígyszövetek, máj Kötszövet Izomszövet Idegszövet
A dózis fogalmak áttekintése Elnyelt dózis: D egysége: G(ray)=1J/kg Egyenérték dózis: H T,R =W R D T,R (sievert; Sv) H T =ΣW R D T,R Effektív dózis: E=ΣW T H T, ahol W T a szöveti súly Kollektív dózis: S=ΣE i N i sugárzás x, γ, elektron Neutron Proton Alfa, nehéz magok W R 1 5-20 5 20 Szövet, szerv Ivarszervek Csontvel, bél, tüd, gyomor Hólyag, mell, máj, nyelcs Br, csont Összes többi W T 0,20 0,12 0,05 0,01 0,05
Félhalálos dózis egész test γ sugárzás esetén Éllény Tengerimalac, juh Kutya, sertés ember Egér, patkány Nyúl, baromfi tekns denevér csiga amba LD 50/30 (Gy) 1-3 3-4 4-5 5-7 8-10 15 150 200 1000
Éves sugárterhelés Komponens Évi effektív dózis (msv) Természetes forrás Kozmikus sugárzás 0,38 Kozmogén radioizotóp 0,02 Terresztikus sugárzás 2,00 Küls 0,46 Bels 1,54 Rn és leányelemei 1,30 Összes természetes 2,4 Mesterséges forrás Orvosi alkalmazás 0,43 Egyéb (pl. TV) 0,10 Nukleáris energia <0,01 Kutatási, oktatási alkalmazás <0,01 Nukleáris fegyver kísérletek <0,01 Nukleáris balesetek <0,02 Összes mesterséges 0,60 Összesen 3,00
Dózis korlátok Dózis féleség Effektív dózis Évi dózisegyenérték szemlencsére brre Kézre, lábra Foglalkozási korlát 20 msv/év (5 évente egyszer max 50 msv) 150 msv/év 500 msv/év 500 msv/év Lakossági korlát 1 msv/év (5 évente egyszer max 5 msv) 15 msv/év 50 msv/év
Radioaktív sugárzások mérése A sugárzások detektálása kölcsönhatásuk alapján lehetséges Meg kell tudni határozni a(z) sugárzás fajtáját (α, β, γ, stb.) sugárzás intenzitását (idegység alatt kibocsátott részecskék számát) sugárzás fluxusát (a felületegységre es intenzitást) energiáját Intenzitás idbeli csökkenését (felezési id)
Alapvet kölcsönhatások összefoglalása Ionizáció (fotoeffektus γ sugárzásnál) Kinetikus energia átadás (Compton szórás, neutronok rugalmas és rugalmatlan ütközései) Molekuláris és atomi szint gerjesztés Magreakciók Radiatív (kisugárzási) folyamat (pl. Cserenkov és Röntgen sugárzás)
A mérberendezés blokksémája
A mérés hatásfoka A mérrendszer által idegység alatt észlelt jelek száma (I): I = Ψ Ψ Ψ Ψ Ψ η forr geom absz der msze A Ψ forr : önabszorpció Ψ geom : a detektor látómezeje a 4π-hez képest Ψ abs : a közeg sugárgyengítése Ψ der : a detektor hatásfoka Ψ mszer : a mérrendszer csökkentési együthatója η. A sugárzás hozama A: a forrás aktivitása
A hatásfokot befolyásoló tényezk Ψ forr ~1: normál körülmények közt <1: nagy srség (2-3) vagy nagy kiterjedés minták (pl. talaj) 0,1 0,15: α- β- sugárzás Ψ geom A detektor felület/4 r 2 π; rendszerint kicsi, kis aktivitású mintáknál speciális elrendezéssel jelentsen javítható.
Mérési geometriák
A hatásfokot befolyásoló tényezk Ψ absz : Néhány cm-es leveg a γ sugárzást nem nyeli el, de kis energiájú β sugárzást jelentsen, az α sugárzást nagymértékben elnyeli. Ψ der : A detektor anyagot úgy kell megválasztani, hogy értéke közel 1 legyen Ψ msze : A feldolgozó elektronika holtidejébl származó veszteség 5%-nál kisebb legyen η : a mérés tervezésekor figyelembe kell venni, hogy egy bomlás során hány részecske keletkezik
Detektorok Gázionizációs detektorok Szcintillációs detektorok Félvezet detektorok Egyéb Nyomdetektorok (pl. ködkamra) Fotográfiai hatáson alapuló detektorok Termolumineszcens detektorok
Gázionizációs detektorok Ionizációs kamra Proporcionális számláló Geiger-Müller (GM) számlálók
Gázionizációs detektor
Karakterisztika
Ionizációs kamra Minden sugárzás detektálására alkalmasak Egyszerek, különböz geometriák alakíthatók ki, stabilan mködnek, viszonylag olcsók Integrális (átlagos ionizációs áram mérése) és impulzus üzemben is mködhetnek (az egyes impulzusokat külön-külön mérjük), az impulzus amplitúdója alapján az energiára is következtethetünk Töltgáz lehet akár leveg is.
Ionizációs kamra (folytatás) α kamrák: töltgáz nitrogén vagy nemesgáz küls forrás esetén belépablak biztosítása nyitott kamrák pl. gázátáramlásos kamrák aktivitás koncentráció mérésere β kamrák: lágy komponensek a gázban, keményebbek a kamra falában nyeldnek el γ kamrák: a kamra falában nyeldik el, az onnan kilép szekunder elektronokat detektáljuk
Gázersítés Proporcionális számláló Végablakos kiképzés A minta a mértérben van pl. folyamatos gázátáramlás mellett A keletkez negatív ionok torzíthatják a jelet, ezért a töltgáz nagy tisztaságú nemesgáz
Geiger-Müller (GM) számlálók Az impulzus nagyságát a sugárzás fajtája, energiája nem befolyásolja A több folyamat lejátszódása miatt kioltó gázra is szükség van (szerves molekulák vagy halogének) Csak impulzus számlálásra használható γ-sugárzásra a hatásfok csak 1-5%
GM-cs és a jelfeldolgozás
Szcintillációs detektorok Kristályos szilárd testek (szilárdtestek) sávszerkezete a: vezetk; b: szigetelk (W 2-10 ev); c: saját (intrinsic) félvezetk (W 1 ev)
A detektoranyag mködése A detektoranyagba jutó sugárzás gerjeszti az elektronokat Ezek a vegyérték sávba visszajutva energiájukat fény formájában adják le. Tiszta anyag esetén a fény az UV tartományba esik. Megfelel szennyezanyag adagolásával a tiltott sávban is keletkeznek energianívók. Az innen történ visszatéréskor kisugárzott fény a látható tartományba esik. A szcintillátorban keletkez fotonok száma arányos a sugárzás energiájával.
Fotoelektronsokszorozó (multiplier)
Transzformációs hatásfok (η): energia átalakítása fénnyé Szcintillációs detektorok I. Fénykibocsátás idtartama 100-1000 ns (lecsengési id) Karakterisztika a GM cs karakterisztikájához hasonló Szervetlen kristályok ZnS(Ag): η 25-28 % Csak por alakban NaI(Tl): η 8-10 % 1 foton 30-35 ev Nedvszívó, légmentesen le kell zárni. A burkolat az α és β sugárzást elnyeli. CsI(Tl): η 4-5 % Levegn is tartható
Szcintillációs detektorok II. Szerves szcintillátorok Antracén (C 14 H 10 ): η = 4 % Stilbén (C 14 H 12 ): η = 2 % Folyadék szintillátorok Toluolban vagy xilolban oldott terfenil, vagy difeniloxazol: η = 2-4 %. Lecsengési id 1 ns. A mérend anyagot a folyadékban oldják. Plasztik szcintillátorok Szintillátoranyag oldása polimerizációra hajlamos oldószerekben (pl. sztirol): η = 2 3% Lecsengési id: 1 ns
Szcintillációs detektorok használata I. α sugárzás: ZnS(Ag): energiamérésre nem alkalmas. ScI(Tl): energiamérésre. β sugárzás: Szerves, plasztik és folyadék szintillátorok γ sugárzás: Legelterjedtebb a NaI(Tl), de a CsI(Tl) is használatos
Szcintillációs detektorok használata II. Fényvéd burkolat α, β sugárzás: 0,8-1,2 mg/cm 2 Al fólia kis energiájú γ: 0,15-0,3 mm Be lemez Nagy energiájú γ: 0,5-1 mm Al lemez A FES fotokatódja Cs A dinódák száma 10-15 A sokszorozás milliószoros is lehet
Szennyezéses félvezetk
Félvezet detektor típusok Felületi záróréteges detektorok kb. 0,01 nm vastag kiürítési tartomány; potenciálkülönbség alakul ki nagy ionizációs képesség, kis áthatoló sugárzás, pl. α mérésére Sajátvezetés (intrinsic) detektorok Si, Ge
Nyomdetektorok Egyéb detektor típusok Egyes szigetel anyagokban nehéz ionizáló részecskék nyomot hagynak, amely megfelel kezelés (maratás) után mikroszkóp alatt kiértékelhet
Dózismér eszközök Nem azonnal szolgáltatnak információt, hosszabb idtartam (expozíciós id) alatti integrális mérést tesznek lehetvé. A detektor anyagban hosszú ideig megmaradó változás jön létre, amely megfelel eljárással kiértékelhet.
Típusok Tolldoziméterek: tartomány: néhány msv Filmdoziméterek: megfelel szrt alkalmazva különböz sugárzásból elnyelt dózisok mérésére alkalmas. Tartomány 50 µsv-1 Sv Termolumineszcens doziméterek Gerjesztés hatására az elektronok a tiltott sáv energia csapdáiba kerülnek. Kiftés hatására a vezetési sávba kerülnek, majd fénykibocsátás mellett az alapsávba A fény szcintillációs detektorral mérhet
Nukleáris mérmszerek Impulzus detektorok: minden részecske detektálása során áramimpulzust adnak A leggyakoribb feladatok: Idpont meghatározás, Amplitudó mérés, Jelalakok egymástól való megkülönböztetése Jellegzetes áramimpulzus alakok Négyszög Exponenciális lecsengés Két alaptípus: Információ a beérkezésrl (GM cs) Energiára következtethetünk (prop. száml. szcint. det....)
Nukleáris mérmszerek
Nukleáris ersítk A detektorhoz illeszked zajszegény elersít A fersít a jelek ersítésének zömét és a jelformálást végzi Az ún. ablakersít a jelek bizonyos tartományának további ersítését végzi
Az ersítés mértéke Detektor típus Detektor kapacitás [pf] Töltésmennyiség [C] Imp. Id [µs] Imp Amplitudó [A] U ki = Q/C [V] U ki = I R [v] Ionizációs kamra 50 10-16 -10-14 0,4-5 10-11 -10-7 10-6 -10-4 10-9 -10-5 Prop. számláló 50 10-14 -10-12 0,4-5 10-7 -10-5 10-4 -10-2 10-5 -10-3 GM cs 20 10-12 -10-10 0,5-5 10-7 -10-4 0,1-10 10-5 -10-2 Szcint. számláló (NaJ(Tl) 20 10-11 0,25 10-4 0,5 10-2 Felvezet detektor 20-200 10-13 0,01 10-5 10-4 -10-3 10-3
Követelmények A kimenjel 1-10 V kell, hogy legyen Jelformálás Elkerülhetetlen Tudatos A jel/zaj viszonyt maximálni kell
Ersítk
Ersítk
Karakterisztika
Munkapont beállítás
Jelfeldolgozás
Jelfeldolgozó áramkörök: koincidencia, antikoincidencia áramkörök
Antikoincidencia áramkörök
Koincidencia- antikoincidencia tranzisztorokkal
Jelfeldolgozó áramkörök: integrális diszkriminátor
Differenciál diszkriminátorok
Id diszkrimináció Két jel egyidejségének megállapítása Két jel beérkezése közti id megmérése
Impulzus számlálók (scaler)
Beütésszám-átlag mérk (ratemeter)
Sokcsatornás analizátorok